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通過重塑異戊二烯焦磷酸代謝促進萜類生物生產(chǎn)

萜類化合物是最大的天然產(chǎn)物家族,因其在制藥、香料和生物燃料等行業(yè)的多樣化應用而受到廣泛關(guān)注。然而,利用工程細胞工廠有效合成萜類化合物一直受到異戊二烯焦磷酸鹽(IPP)供應有限的阻礙,而異戊二烯焦磷酸鹽是萜類化合物生產(chǎn)的關(guān)鍵組成部分?,F(xiàn)在,中國江南大學陳健領(lǐng)導的研究小組取得了一項可能徹底改變萜類化合物生物生產(chǎn)的發(fā)現(xiàn)。

在《工程》雜志上發(fā)表的研究文章中,陳和他的團隊提出了一種解決IPP供應不足挑戰(zhàn)的新方法。通過研究枯草芽孢桿菌(B.subtilis)的代謝通量分布,研究人員發(fā)現(xiàn)中央代謝和IPP生產(chǎn)之間的不平衡是主要瓶頸。為了克服這一障礙,他們設計了一種策略,使用基因編碼的雙輸入多輸出(TIMO)電路來重塑IPP代謝。

TIMO回路對丙酮酸和丙二酰輔酶A做出反應,經(jīng)過精心設計,可以微調(diào)IPP合成的代謝通量。這種重塑方法導致IPP池顯著增加,比原始水平高出四倍。為了驗證其技術(shù)的有效性,研究人員應用TIMO電路來提高三種有價值的萜類化合物的產(chǎn)量:甲基萘醌7(MK-7)、番茄紅素和β-胡蘿卜素。

結(jié)果令人震驚。MK-7(一種用于預防骨質(zhì)疏松癥、動脈鈣化和帕金森病的萜類化合物)的效價在50L生物反應器中達到了前所未有的1549.6mg/L。這一成就代表了迄今為止報道的MK-7的最高滴度。此外,番茄紅素產(chǎn)量增加了9倍,β-胡蘿卜素產(chǎn)量增加了0.9倍。

“這項研究突破為萜類化合物的高效生物生產(chǎn)開辟了新的可能性,”《工程》雜志編輯趙莎莎說。“TIMO遺傳回路輔助IPP代謝重塑框架為微調(diào)復雜的代謝途徑提供了強大的工具。它有潛力徹底改變各種有價值化學品的生產(chǎn)。”

這項研究的成功不僅證明了TIMO電路在萜類化合物生產(chǎn)方面的潛力,而且凸顯了它們的多功能性和魯棒性。研究人員認為,這種調(diào)節(jié)系統(tǒng)可以應用于其他底盤細胞,為重塑IPP代謝提供另一種策略。

這項研究的意義不僅僅局限于萜類化合物的生產(chǎn)。本研究采用的多信號、協(xié)調(diào)、級聯(lián)動態(tài)調(diào)節(jié)策略為復雜代謝途徑的合理和全局微調(diào)奠定了基礎。這一突破可能為各種其他化學品的生產(chǎn)鋪平道路,推動多個行業(yè)的進步。

隨著世界不斷尋求傳統(tǒng)化學合成的可持續(xù)和生態(tài)友好的替代品,這項研究為開發(fā)經(jīng)濟可行且環(huán)境友好的生物生產(chǎn)工藝提供了一條有前途的途徑。

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